Étude expérimentale d’un procédé de valorisation thermochimique de la biomasse

Abstract

La conversion de la biomasse et des déchets en alternative aux ressources fossiles constitue aujourd’hui un défi majeur pour la communauté scientifique. Les procédés thermochimiques présentent un potentiel considérable qui vise à augmenter de manière significative la part de l’utilisation des sources renouvelables. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux procédés de conversion de la biomasse par pyrolyse, gazéification et combustion. . Cinq biomasses méditerranéennes, Ciste de Montpelier, noyaux des dattes, noyaux d'olive, coques de pin d'Alep et paille de blé, ont été choisies dans ce travail en tenant compte de leur disponibilité dans le temps et du fait que leur valorisation n’interfère pas avec l’alimentaire. Une étude comparative de la pyrolyse des différentes biomasses a été réalisée à l’aide de l’analyse thermogravimétrie (ATG). Les paramètres cinétiques (énergie d'activation et facteur pré-exponentiel) des réactions de décomposition par pyrolyse, de ces biomasses, ont été déterminés en utilisant cinq modèles cinétiques (Kissinger, Kissinger-Akahira-Sunose (KAS), Coats Redfern, DAEM et NLSM). Des expériences de pyrolyse ont également été réalisées à l’aide d’une installation instrumentée et équipée d’un réacteur semi-continue à différentes températures (400, 450, 500, 550 °C) et pour un temps de séjour de 11 minutes. Les résultats obtenus montrent que les composés chimiques présents dans les différents échantillons de la bio-huile produite sont les mêmes pour les différentes biomasses. Cependant, la composition change d'une biomasse à une autre. La principale famille est celle des acides carboxyliques 26.58-39.96%) suivis par les phénols (13.34-28.24%), puis les cétones (12.01-24.94%) et les esters (6.62-15.94%). Globalement, la différence de pourcentage des familles d'une biomasse à l'autre est inférieure à 5%. À l’issue de l’étude de la pyrolyse, la biomasse de Ciste de Montpellier a été sélectionnée parmi les cinq biomasses pour la réalisation d’une étude de gazéification comparée à celle des constituants majeurs de la biomasse lignocellulosique : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine. L’étude de la gazéification de ces échantillons a été effectuée dans le même dispositif expérimental que la pyrolyse en utilisant l’air comme agent de gazéification. La température de gazéification est variée entre 750 à 900 °C et temps de séjour a été fixé à 10 minutes. L'augmentation de la température et de la fraction d'air augmente de manière significative le rendement des produits gazeux et réduit considérablement les rendements de goudron et de charbon pour les différents échantillons étudiés. Dans chaque expérience, les principaux composés de la phase gazeuse (gaz de synthèse) sont le CO, CO2, H2 et CH4. L’analyse thermogravimétrique ATG a été également utilisée pour étudier la combustion de la biomasse Ciste de Montpellier (CM), la cellulose, l’hémicellulose, la lignine et de leurs charbons. Les paramètres cinétiques de la combustion des différents matériaux ont été déterminés sur la base de l’approche de Coats-Redfern. A cause de leur teneur élevée en oxygène, les biohuiles de pyrolyse possèdent des propriétés (acidité, viscosité, instabilité…) inadaptées à une utilisation comme carburant. Dans l’optique d’améliorer leurs propriétés, nous avons réalisé une étude de la désoxygénation catalytique des molécules oxygénées représentatives de la composition des biohuiles. La désoxygénation a été faite dans un réacteur à lit fluidisé sur un catalyseur à base de zéolithe modifiée avec du fer (Fe-ZSM5). La majorité des molécules modèles examinées ont présenté un taux de conversion élevée atteignant 99% environ dès la température 400 °C, à l’exception des aldéhydes, gaïacols et amides. Le taux de conversion de ces dernières augmente avec la température et s’élève à 50.51%, 70.42% et 52.32% à 500°C pour les aldéhydes, les gaïacols et les amides, respectivement.